基于Arduino的车载测雪数据系统设计

摘要：设计一款基于Arduino的车载测雪系统，旨在实现对冬季冰雪路面数据的实时采集和监测。采用ArduinoUnoR3作为控制器，通过超声波传感器和温湿度传感器采集积雪深度数据和温湿度数据，并由液晶1602实时显示数据，为驾驶员冰雪天气安全行驶提供参考依据。通过软件仿真采集积雪深度数据和温湿度数据，计算测量数据的误差，分析测量的准确性，从而验证该测雪系统设计的可行性。

关键词：车载测雪系统Arduino控制器传感器

中图分类号：U463.6

DesignofanArduino-BasedVehicleSnowMeasurementDataSystem

ZHANGMan1LIWei2WANGWenshuai1FENGZhu1WANGZhiqiang1CUIHaibin1WANGJiangbei1

1.HarbinPetroleumUniversity，HarbinCity，HeilongjiangProvince，150028China;2.ComprehensiveInformationSecurityCenteroftheStaffDepartmentoftheArmedPoliceHeilongjiangCorps，HarbinCity，HeilongjiangProvince，150028China

Abstract：Inthisstudy，anArduino-basedvehiclesnowmeasurementsystemisdesigned，aimingtoachievereal-time WgmjSxmtuHF1EGh4gTzYSB1Fy3nOuqN5yNVed4rRoy8=;datacollectionandmonitoringofwintericeandsnowroadconditions.ThesystemusesArduinoUnoR3asthecontroller，collectsdataofsnowdepth，temperatureandhumiditythroughultrasonicsensorsandtemperatureandhumiditysensors.Italsodisplaysthedatainreal-timeona1602LCDscreen，providingreferenceforsafedrivinginsnowyweatherforthedriver.Itcollectssnowdepthdataandtemperatureandhumiditydatathroughsoftwaresimulation，calculatesmeasurementdataerrors，analyzestheaccuracyofthemeasurements，andthusverifiesthefeasibilityofthesnowmeasurementsystemdesign.

KeyWords：Vehicle;Snowmeasurementsystem;Arduinocontroller;Sensor

我国东北地区大地冰雪覆盖的时间较长，下雪结冰具有不确定性，给路面交通带来安全隐患。突如其来的下雪和结冰给车辆行进带来困扰。本文设计一种用于冬季冰雪频繁地区路面检测的系统，能根据测得的温湿度数据确定行驶路面四周是否结冰，根据超声波测距原理测得雪地厚度，为车辆平稳行驶，确定雪地行驶路线提供参考依据，为有清雪能力的车辆提供数据支持。气象局采用积雪深度来衡量降雪强度，积雪深度是指积雪表面到下垫面的垂直深度[1]。

1总体设计

监测系统必备电源，电源模块负责提供系统需要的各种供电电压[2]，本设计采用直流5V的电源模块。如图1所示，本文选用ArduinoUnoR3作为控制器，ArduinoUNOR3是一款基于ATmega328P的微控制器板[3]。选用数字温湿度传感器DHT22测量环境的温度、湿度。DHT22适用于道路积雪监测系统中对温湿度数据的采集，选用超声波传感器HC-SR04测量积雪深度，监测积雪情况。表1描述了各传感器的工作参数，包括测量范围、测量精度、工作电压范围、工作温度范围等。根据系统设计要求，传感器是安装在车底盘，工作在户外，因此有环境温度要求。

2系统工作原理

本设计分四步骤工作，分别为传感器测量、数据处理、数据显示和输出、系统控制。车载测雪系统采用超声波传感器测量车下方积雪深度，温湿度传感器测量当前温湿度。Arduino采集传感器数据，根据预定的算法和逻辑处理数据。Arduino会将距离数据转换为实际的雪深度数值，并根据采集的温湿度情况。通过LCD显示屏呈现给驾驶员。硬件的具体连接如图2所示。

3超声波传感器测量原理

超声波探头发射一组超声波脉冲，并由处理器记下初始发射时间[4]，通过计算收到回波所需时间，来计算距离的。由于传感器安装高度固定，通过连续测量即可实现对雪深的

监测[5]。假设超声波在空气中的速度在恒定不变的前提下，得到数学表达式：

式（1）中：s为距离；v为超声波速度（空气中数值为343m/s）；Δt为从发送到收到回波的时间差。

4软件平台及硬件支持

本设计采用Arduino2.2作为编程平台，Proteus8.15作为硬件绘制和仿真平台。

4.1系统程序

#include<LiquidCrystal_I2C.h>

#include<microDS18B20.h>

MicroDS18B20<12>sensor;

LiquidCrystal_I2Clcd（0x27，16，2）;

#defineHC_TRIG3

#defineHC_ECHO2

uint32_tmyTimer1;

#defineALPHA0.2

floatfilteredDistance=0;

inttemper;

voidsetup（）{

Serial.begin（9600）;

lcd.init（）;

_{BJiyq3S/lJhUdHoAHfkmvg==}lcd.backlight（）;

pinMode（HC_TRIG，OUTPUT）;

pinMode（HC_ECHO，INPUT）;

temper=sensor.getTemp（）;

}

voidloop（）{

floatdist=getDist（temper）;

floatfilteredDistance=getFilteredDistance（dist）;

Serial.print（dist）;

Serial.print（""）;

Serial.print（filternWfpJTvClGRRLRYQgCtc+Q==edDistance）;//выводим

Serial.print（""）;

Serial.println（temper）;

delay（50）;

if（millis（）-myTimer1>=1000）

{

myTimer1=millis（）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（""）;

lcd.setCursor（0，0）;

lcd.print（filteredDistance）;

}

}

floatgetDist（intt）{

digitalWrite（HC_TRIG，HIGH）;

delayMicroseconds（10）;

digitalWrite（HC_TRIG，LOW）;

uint32_tus=pulseIn（HC_ECHO，HIGH）;

return（us*（t*6/10+330）/2000ul/10）;

}

floatgetFilteredDistance（floatnewDistance）{

filteredDistance=（ALPHA*newDistance）+（（1-ALPHA）*filteredDistance）;

returnfilteredDistance;

}

{

"version"：1，

"author"："ValeraGribov"，

"editor"："wokwi"，

"parts"：[

{"type"："wokwi-Arduino-uno"，"id"："uno"，"top"：0.6，"left"：-115.8，"attrs"：{}}，

{"type"："wokwi-lcd1602"，"id"："lcd1"，"top"：16，&nbsp;"left"：236，"attrs"：{"pins"："i2c"}}，

{

"type"："wokwi-hc-sr04"，

"id"："ultrasonic1"，

"top"：-228.9，

"left"：197.5，

"attrs"：{"distance"："18"}

}，

{"type"："board-ds18b20"，"id"："temp1"，"top"：-279.53，"left"：4.08，"attrs"：{}}，

{

"type"："wokwi-resistor"，

"id"："r1"，

"top"：-177.6，

"left"：37.85，

"rotate"：90，

"attrs"：{"value"："5000"}

}

]

"connections"：[

["lcd1：VCC"，"uno：5V"，"red"，["h-28.8"，"v163.3"，"h-172.8"]]，

["lcd1：GND"，"uno：GND.2"，"black"，["h-19.2"，"v182.4"，"h-163.2"]]，

["lcd1：SDA"，"uno：A4"，"green"，["h-48"，"v201.8"，"h-67.2"，"v-9.6"]]，

["lcd1：SCL"，"uno：A5"，"green"，["h-19.2"，"v182.7"，"h-76.8"]]，

["ultrasonic1：VCC"，"uno：5V"，"red"，["v48"，"h-403.2"，"v374.4"，"h182.4"，"v-9.6"]]，

["ultrasonic1：GND"，"uno：GND.1"，"black"，["v19.2"，"h-298.8"，"v28.8"]]，

["ultrasonic1：TRIG"，"uno：3"，"green"，["v67.2"，"h-0.4"]]，

["ultrasonic1：ECHO"，"uno：2"，"green"，["v86.4"，"h-0.8"]]，

["temp1：GND"，"uno：GND.1"，"black"，["v0"]]，

["temp1：VCC"，"uno：5V"，"red"，["v9.6"，"h38.4"，"v-86.4"，"h-220.8"，"v576"，"h211.2"]]，

["temp1：DQ"，"uno：12"，"green"，["v0"]]，

["temp1：DQ"，"r1：2"，"green"，["v0"]]，

["r1：1"，"temp1：VCC"，"red"，["h0"，"v0"，"h-38.4"，"v-28.8"]]

]，

"dependencies"：{}

}

4.2积雪深度和温湿度数据仿真测量结果

以2023年11月6日哈尔滨地区暴雪天气数据为例，户外温度-9℃，相对湿度85%，积雪深度25cm。用前述数据作为本研究的输入数据，如图3、图4所示，当户外积雪深度输入数据为25cm时，超声波传感器测得积雪深度数据为24cm，误差为1cm。当户外温湿度输入数据分别为-9℃、85%时，温湿度传感器测得温度数据为-9℃，湿度数据为85%。仿真测量基本准确。

5结语

本设计为车辆驾驶员提供行车路上积雪深度和户外环境温湿度，为冰雪路面行车提供参考依据。

本研究实现了车载测雪系统功能，为冬季行车提供积雪数据信息。通过温湿度传感器判断行驶路面是否结冰。选用超声波传感器回波反射测量车下雪地深度数据。

本文设计的是一种应用于冬季冰雪道路的测雪系统，通过电脑软件仿真验证测雪系统设计的可行性，从获得的数据来看，超声波测深度存在一定误差，相对误差为0.4%，为可以接受范围。温湿度传感器测量仿真测量结果基本正确。

qExiJTKrHS8hB442bvdkFQ==

本文软件仿真验证结果有一定的局限性，天气转暖积雪消融，超声波传感器无法到真实环境测量验证，获取真实数据。该系统在车辆底盘的准确位置还有待进一步校正。

参考文献

[1]刘威.铁路沿线激光雪深计研究与设计[D].南京：南京信息工程大学，2021.

[2]胡敏.基于边缘AI的雪面识别技术研究与应用[D].南京：南京信息工程大学，2021.

[3]黄业源，李守晓.基于Arduino与Blinker云平台的温室大棚环境监控及自动灌溉系统设计[J].物联网技术，2024，14（1）：26-28，33.

[4]孟庆伟，张磊，蒲莉莉.超声波自动化积雪深度测量与分析[J].测绘与空间地理信息，2021，44（9）：102-105，109.

[5]周鹏，杨帅，杨斌，等.人工观测与超声波传感器测量雪深的差异及其影响因素[J].贵州农业科学，2020，48（6）：139-142.